晶圆减薄工艺与基本原理

1 减薄的目的

直径150mm（6寸）和200mm（8寸）的晶圆厚度分别为625um和725um，而直径为300mm硅片平均厚度达到775um。在晶圆中总厚度90%以上的衬底材料是为了保证晶圆在制造，测试和运送过程中有足够的强度。

晶圆减薄工艺的作用是对已完成功能的晶圆（主要是硅晶片）的背面基体材料进行磨削，去掉一定厚度的材料。有利于后续封装工艺的要求以及芯片的物理强度，散热性和尺寸要求

晶圆减薄后对芯片有以下优点

1）散热效率显著提高，随着芯片结构越来越复杂，集成度越来越高，晶体管数量急剧增加，散热已逐渐称为影响芯片性能和寿命的关键因素。薄的芯片更有利于热量从衬底导出。

2）减小芯片封装体积。微电子产品日益向轻薄短小的方向发展，厚度的减小也相应地减小了芯片体积。

3）减少芯片内部应力。芯片厚度越厚芯片工作过程中由于热量的产生，使得芯片背面产生内应力。芯片热量升高，基体层之间的热差异性加剧，加大了芯片内应力，较大的内应力使芯片产生破裂。

4）提高电气性能。晶圆厚度越薄背面镀金使地平面越近，器件高频性能越好。

5）提高划片加工成品率。减薄硅片可以减轻封装划片时的加工量，避免划片中产生崩边、崩角等缺陷，降低芯片破损概率等。

2 减薄的工艺流程

3 减薄的原理

国际当前主流晶圆减薄机的整体技术采用了In-Feed磨削原理设计。该技术基本原理是，采用了晶圆自旋，磨轮系统以极低速进给方式磨削。如图1

图1 Schematic of self-rotating grinding mechanism: (a)Experimental set up of wafer grinding; (b) Illustration of the rotating waferand wheel

具体步骤是把所要加工的晶圆粘接到减薄膜上，然后把减薄膜及上面芯片利用真空吸附到多孔陶瓷承片台上，杯形金刚石砂轮工作面的内外圆舟中线调整到硅片的中心位置，硅片和砂轮绕各自的轴线回转，进行切进磨削。磨削深度Tw与砂轮轴向给进速度f 和硅片转速nw关系为

Tw =f/Nw     （1）

根据（1）式，对于给定的磨轮轴向进给速度f，提高硅片转速Nw，可以减小晶圆磨削深度。

目前国际主流的晶圆减薄机，其磨轮轴向进给速度可以控制在1um/min以内。如果晶圆转速为200r/min，则晶圆每转的磨削深度只有0.005um，达到了微量切深的塑性磨削条件。

磨削过程可以分为三个阶段

第一粗磨阶段：使用的金刚砂轮磨料粒度大，砂轮每转的进给量大，单个磨粒的切深度大于临界切削深度。是典型的脆性域磨削。采用相对较大的进给速度，主要考虑提高加工效率。这个阶段占总减薄量的94%左右。这个过程会引起较大的晶格损伤，边缘崩边。

第二精磨阶段：所使用的砂轮磨料力度很小，砂轮每转的给进量很小，一部分磨粒的切深小于临界切削深度，属于延性域切削。另一部分的切深大于临界切削深度，属于脆性域切削。给进速度降低，可以消除前端粗磨产生的损伤，崩边等现象。占这总磨削量的6%。

第三抛光：最后数微米采用精磨抛光，磨削深度小于0.1um，已进入延性域加工范围，此时材料加工表现为先变形，再撕裂的化学变化的方式。

4 晶圆减薄的质量要求

1）晶圆完整性（无破损）

2）晶圆厚度精度及超薄化能力要求

3）晶圆表秒TTV值要求

4）晶圆表面粗糙度要求

5）晶圆表面损伤层厚度（SSD）要求

6）晶圆厚度一致性要求

下表为Disc 减薄机的Spec